Nanomateriales
Retos en la investigación sobre mecánica y materiales.
Conceptos. Nanociencia y nano tecnología. Tipo de
nanomateriales. Aplicaciones y preocupaciones en relación
con el medio ambiente.
Retos en la investigación sobre mecánica y materiales
Este tema se aborda tomando como referencia el trabajo de personal del 
Programa de Mecánica y Materiales en la Dirección de Ingeniería de la 
Fundación Nacional de Ciencias (NSF), Arlington, Virginia, USA.
Ken P. Chong and Jorn Larsen-Basse. Challenges in Mechanics and Materials 
Research in the Twenty-First Centery. Journal of Materials in Civil 
Engineering. Vol 17, N° 13, June 1, 2005. ASCE.
A comienzos de siglo, la NSF reconoce a las siguientes tres tecnologías 
trascendentales:
• Microelectrónica: cada dos años se duplica la cantidad de transistores 
en un circuito integrado obligando a ir la nanotecnología para la 
reducción de los tamaños.
• Tecnología de información.
• Biotecnología.
Aunque no se menciona explícitamente la nanotecnología entre estas tres, 
su desarrollo en el presente siglo ha impactado notablemente la orientación 
de las aplicaciones en la tierra y en el espacio, y consolidado una nueva 
disciplina en los campos tecnológico, económico, social, político y cultural 
a nivel internacional.
Según la referencia, en el campo de la mecánica de sólidos y de la 
ingeniería de materiales (mecánica/materiales) se consideran las siguientes 
áreas críticas:
• Bio (mecánica/materiales)
• Mecánica/materiales en capa delgada.
• Propagación de ondas
• Nano (mecánica/materiales)
• Simulación/modelaje.
• Sistemas micro electro mecánicos
• Materiales/estructuras inteligentes.
Conceptos
La materia
La materia está constituida por elementos, siendo 92 el número de ellos 
conocidos en la Tierra. Entre los más comunes: carbono (como en la forma 
de diamante o grafito, que son las más estables), el oxígeno (en el aire), el 2
calcio (en los huevos, los huesos o los dientes), el hierro (incluso en la 
sangre).
El átomo
Los elementos se componen de partículas, siendo la más pequeña el 
átomo. A su vez el átomo tiene componentes más 
pequeños: el núcleo, los protones, los neutrones y 
los electrones (estos últimos giran alrededor del 
núcleo). Por ello la estructura del átomo se suele 
explicar a través de un modelo orbital.
Los protones, con carga positiva, y los 
neutrones, sin carga, están integrados en el 
núcleo. Los electrones, con carga negativa, 
tienen una cantidad de energía de acuerdo a su posición en la órbita 
alrededor del núcleo. Las propiedades químicas de los átomos están 
determinadas por sus electrones.
El número atómico está determinado por el número de protones en el 
núcleo del átomo, que a su vez es igual al número de electrones que giran 
alrededor de él. A su vez, el peso atómico es aproximadamente igual a la 
suma del número de protones más el número de neutrones.
En un elemento determinado, los átomos tienen el mismo número de 
protones. Sin embargo, pueden tener diferente número de neutrones (y de 
ahí, diferente peso atómico). En este último caso, se les llama isótopos del 
elemento (con igual número atómico pero diferente peso atómico).
La molécula
La molécula está formada por dos o más átomos unidos por enlaces 
químicos como fuerzas que los mantienen unidos. Los enlaces pueden ser 
de dos tipos: iónico y covalente.
• En el enlace iónico la atracción de partículas es por carga eléctrica 
opuesta, como en el ClNa. Muchas sustancias iónicas se separan en 
agua, produciendo iones libres.
• En el enlace covalente las moléculas se forman por pares de electrones 
compartidos, los cuales a su vez se organizan en órbitas moleculares
nuevas envolviendo a los núcleos de ambos átomos.
Compuestos químicos
En las reacciones químicas se intercambian electrones entre átomos que 
pueden representarse por ecuaciones químicas. Estas reacciones pueden ser 
de estos tipos.
• Combinación de dos o más sustancias para formar una sustancia 
diferente.
• Disociación de una sustancia en dos o más.
• Intercambio de átomos entre dos o más sustancias.
Los compuestos químicos son sustancias formadas por dos o más elementos 
diferentes, en proporciones definidas y constantes.
Nanociencia y nanotecnología
En término de unidades, el nivel micro está referido a una millonésima. El 
nano a una mil millonésima. El meso a una milésima. El macro a un metro. 
El nivel de sistema a un kilómetro. Obsérvese que la referencia es a la 3
longitud en vez de otras propiedades, como de volumen o masa, por 
ejemplo. 
Aquí una escala física.
Escala física en materiales y estructuras
Elementos MATERIALES ESTRUCTURAS INFRAESTRUCTURA
Nivel Nano Micro Meso Macro Sistema
Escala Molecular       Micrones Metro Más de un km
Campos
Nanomecánica
Autoensamblaje
Nanofabricación
Micromecánica
Microestructuras
Materiales 
inteligentes
Mesomecánica
Estructuras de 
interfase
Compuestos
Vigas
Columnas
Placas
Sistemas 
de enlace
Líneas
Aeroplanos
Nanociencia
Es el estudio de átomos, moléculas y objetos cuyo tamaño se mide a escala 
nanométrica (de 1 a 100 nanómetros).
Nanotecnología
Se le entiende como el análisis, síntesis, diseño, manipulación y aplicación 
de materiales, aparatos y sistemas a través del control de la materia a 
nanoescala, así como el aprovechamiento de fenómenos y propiedades de 
la materia a ese nivel.
La nanotecnología da origen a materiales, aparatos y sistemas novedosos en 
sí y en sus propiedades, creando nuevas estructuras con precisión atómica. 
El nivel nano, permite manipular y trabajar estructuras moleculares y sus 
átomos.
Entre los materiales, que se denominan nanomateriales, se distingue el 
nanotubo de carbón como la fibra más fuerte que se conoce pudiendo ser 
de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso, y posee propiedades 
eléctricas conductivas importantes.
A nivel agregado, se forman nanopartículas, como unidades más grande 
que los átomos y las moléculas, con características propias. Se distinguen 
las metálicas y las cerámicas.
Tipos de nanomateriales
Referencia
Lo que sigue está tomado de un trabajo de personal del Instituto de 
Ciencias de Materiales de Barcelona y de la Universidad Autónoma de 
Barcelona.
Albert Figueres, Jordi Pascual. Nanomateriales. Publicado en: Carmen 
Mijangos y José Serafín, Coordinadores. Nuevos materiales en la sociedad 
del siglo XXI. Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Madrid, 2007.
El documento integral de la referencia es una importante presentación de 
los siguientes temas.
• Materiales cerámicos.
• Nuevos materiales metálicos.
• Polímeros avanzados.
• Materiales magnéticos.4
• Nanomateriales.
• Biomateriales.
• Materiales para los laser.
• Energía y movimiento.
• La radiación sincotrónica.
De los cuales se utilizará el capítulo relativo a nanomateriales.
Conceptos adicionales y usos
La nanociencia y la nanotecnología son nuevas herramientas para la 
investigación, la innovación y el desarrollo a partir del control de la 
estructura fundamental y el comportamiento de la materia a nivel atómico. 
Se utiliza para generar nuevas propiedades y usos, como: la inclusión de 
nanopartículas para reforzar materiales, la mejora de propiedades de 
materiales diseñados para trabajar en condiciones extremas, la 
investigación para detectar y neutralizar la presencia de microorganismos o 
compuestos químicos adversos.
Los nanomateriales tienen características estructurales que hace que al 
menos una de sus dimensiones esté en el intervalo 1 a 100 nm. Esto 
significa que puede haber nanomateriales 1D, 2D y 3D dependiendo de las 
dimensiones en que se cumple tal intervalo (o son nanométricas, según se 
llaman).
La tecnología que más se emplea es conocida como la bottom-up (o de 
abajo hacia arriba) construyendo nanoentidades por combinación de 
elementos más pequeños (átomos y moléculas) guiando el autoensamblaje o 
bajo estrategias controladas.
Identificación  de nanomateriales
Nanocompuestos. Se trata de materiales creados introduciendo, en bajo 
porcentaje, nanopartículas en un material base llamado matriz. Con el
resultado se obtiene materiales con propiedades distintas a las de los 
materiales constituyentes. Por ejemplo en propiedades mecánicas (como la 
rigidez y la resistencia). Los nanopolímeros son usados para relleno de 
grietas en estructuras afectas por sismos, por ejemplo.
Nanopartículas. Se trata de partículas muy pequeñas con cuando menos 
una dimensión menor de los 100 nm. Las nanopartículas de silicato y las 
metálicas, se usan en los nanocompuestos poliméricos.
Nanotubos. Son estructuras tubulares con diámetro nanométrico. Aunque 
pueden ser de distinto material, los más conocidos son los de silicio y 
principalmente, los de carbono. Son tipo canuto o de tubos concéntricos (o 
multicapa). Algunos están cerrados por media esfera de fulereno (o 
fullereno), una forma estable del carbono, del nivel siguiente al del 
diamante y el grafito.
Superficies nanomoduladas. Son ordenadas o multicapa.
Materiales nanoporosos. Principalmente de sílica y alúmina. Usados, por 
ejemplo, para captura de elementos nocivos.
Nanocapas. Se trata de recubrimientos con espesores de nanoescala. Son 
usados en barnices, lubricantes o para endurecer compuestos frágiles o 
como protección ante la corrosión.
Nanoestructuras biológicas. Materiales biomiméticos a escala 
nanométrica. Como polímeros usados como base para el crecimiento de la 
piel. O gomas antimicrobianas.5
Aplicaciones y preocupaciones en relación con el medio 
ambiente
El uso cada vez mayor de la nanotecnología y los nanomateriales es recibido 
con beneplácito y también con preocupación en relación con el medio 
ambiente. 
Referencia
Lo que sigue proviene de personal del Departamento de Ingeniería Civil y 
Ambiental de la Universidad de Cincinnati, Ohio, USA.
Dionysios D. Dionysioy. Environmental Applications and Implications of 
Nanotechology and Nanomaterials. Editorial. Journal of Environmental 
Engineering. July 2004. ASCE.
♦ Aplicaciones útiles en el medio ambiente
• Membranas mejoradas en porosidad, morfología y superficie para el 
tratamiento de agua.
• Nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2 y nanotubos de carbono 
actuando con contaminantes (orgánicos e inorgánicos) en agua con fines 
de adsorción y agregación.
• Muro biológicamente activo de nanotubos de carbón.
• Uso de dióxido de titanio en la purificación de agua y aire.
• Empleo de hierro a nanoescala para adsorción y destrucción de 
contaminantes orgánicos en agua.
• Uso de naotubos de carbón para remover plomo en agua, y ensayos 
respecto a otros metales.6
♦ Diversas preocupaciones
• Toxicidades de partículas y fibras provenientes de nanomateriales.
• El ciclo de vida de los nanomateriales.
• El destino de material contaminante por adsorción desde el agua.
• Biodegradabilidad y persistencia de nanomateriales basados en 
polímeros.
• Relanzamiento de nanomateriales tóxicos al ambiente.
• La efectividad de los métodos de remoción de nanomateriales tóxicos 
del ambiente.
• Uso mal intencionado de los nanomateriales.
Otra referencia
Se trata de otro editorial preparado por personal de la Universidad de Rice, 
Houston, Texas, USA.
Pedro J. Alvarez. Nanotechnology in the Environment – The Good, the Bad 
and the Ugly. Editorial. Journal of Environmental Engineering. October 
2006. ASCE.
♦ El lado bueno
• Promisorios en reducir desperdicios, limpieza de contaminación 
industrial, provisión de agua potable y mejora de la eficacia de la 
producción y uso de la energía.
• Pese a su escaso tamaño pueden integrarse en grandes superficies o 
volúmenes de contaminantes.
• Gran capacidad de adsorción o catalización (aumenta la capacidad de 
reacción química).
• Ofrece un potencial multifuncional como el caso de las membranas para 
tratamiento de agua (separa contaminantes y agrega reactivos 
químicos)
• Desarrollos en progreso con nanomagnetita para remoción de arsénico.
♦ Lado malo
• Tendencia a saturación de nanomateriales en productos de consumo 
cotidiano como detergentes, cosméticos, protectores solares y otros.
• Riesgos de absorción debido a su escaso tamaño y su interacción con 
órganos sensibles o ecosistemas, tanto en salud ocupacional como 
pública.
♦ Lado feo
• La existencia en el pasado de tecnologías promisorias y expectativas de 
benéficas que resultaron dañinas a la salud y al ambiente.